Содержание к диссертации
Введение
1. Заготовка, переработка и применние древесины осины: природные и производственные факторы
1.1. Вводные замечания
1.2. Природные факторы
1.3. Производственные факторы
1.4. Об истории и перспективах применения древесины осины
1.5. Технология заготовки древесины осины и особенности ее переработки на производственном участке лесопромышленного предприятия
1.6. Выводы по главе
1 2. Технологические операции по переработке короткомеров в дранку на производственном участке лесопромышленного предприятия .
2.1. Технология и оборудование переработки осиновых короткомеров на дранку
2.2. Особенности огнезащиты тонкомерных осиновых
элементов
2.3. Защита осиновых тонкомерных элементов от биодеструкции
2.4. Выводы по главе
3. Моделирование раскалывания короткомерных лесоматериалов
3.1. Вводные замечания
3.2. Описание физической модели механической системы «клин–полено»
3.3. Раскалывание с применением симметричного клина
3.4. Раскалывание с применением асимметричного клина
3.5. Сравнительный анализ раскалывания симметричным и асимметричным клиньями
3.6. Примеры и проверка адекватности результатов моделирования системы «клин – полено»
3.7. Взаимодействие крученого клина с древесиной при раскалывании
3.8. О формировании и развитии опережающей трещины
3.9. Выводы по главе 3 107
4. Испытания осиновых образцов на раскалывание
4.1. Раскалывание симметричным и асимметричным клиньями
4.2. Раскалывание кручеными клиньями
4.3. Выводы по главе 122
Заключение 123
Список литературы
- Производственные факторы
- Технология заготовки древесины осины и особенности ее переработки на производственном участке лесопромышленного предприятия
- Раскалывание с применением симметричного клина
- Раскалывание кручеными клиньями
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время задачи лесопромышленного
комплекса Российской Федерации определяет «Стратегия развития лесного
комплекса Российской Федерации на период до 2020 года». В Стратегии
определено, что потенциал лесных ресурсов Российской Федерации как
сырьевой основы развития лесного комплекса составляет 44320 млн. куб. м
(общий запас), из них 22,7 % приходится на лиственные породы (в Северо
Западном федеральном округе – 23,5 %). В этом объеме лиственной древесины
до 37 % приходится на долю осины. Согласно Стратегии, пункт 6.3.2, основной
задачей развития лесного комплекса является вовлечение в использование всех
имеющихся лесных ресурсов с учетом перехода на планирование возможного
изъятия древесины (расчетной лесосеки) как по сплошным, так и по выборочным
рубкам. При этом рост лесопромышленного производства позволит вовлечь в
использование мягколиственные насаждения и низкосортную древесину, а также
лесосечные отходы. Стратегия предполагает, что лесными планами субъектов
Российской Федерации должно быть предусмотрено полное использование
лесных ресурсов. Таким образом, из необходимости решения комплекса задач,
определенных в Стратегии, следует актуальность исследований по
совершенствованию технологии заготовки и переработки низкосортной древесины лиственных пород, в том числе древесины осины.
Степень разработанности темы исследования. Исследованиям в данной области посвящено большое число работ. Фиксируемый с начала 2000-х годов рост промышленного использования лиственной древесины сопровождается увеличением объема исследований и публикаций, относящихся к повышению эффективности использования древесины осины. В массиве публикаций, относящихся к проблеме рационального использования древесины осины, могут быть условно выделены две группы.
В первой группе рассматриваются преимущественно природные факторы, связанные с получением древесины как сырья для дальнейшей заготовки и переработки: биотехнологические факторы, лесотехнические, дендрологические и другие факторы.
Ко второй группе могут быть отнесены публикации, связанные с
исследованиями различных вопросов лесозаготовки, транспортировки,
складирования, переработки и использования древесины.
Применение низкосортной древесины регламентировано стандартами, в
которые с появлением апробированных технологий вносятся соответствующие
изменения. Анализ литературы показал, что в известных работах недостаточно
полно для современных условий исследованы вопросы рационального
использования древесины осины как материала для ограждающих конструкций
кровли в малоэтажном домостроении. При заготовке и первичной переработке
древесины осины образуются отрезки бревен небольшой длины, так называемые
короткомеры. Совершенствование способов их переработки относится к числу
актуальных задач. Основной технологической операцией переработки
короткомеров является раскалывание. Для раскалывания древесины используют
оснащенные двигателями устройства с одним или несколькими рабочими
органами в виде симметричного или несимметричного клина. При этом
функционирование рабочих органов в виде несимметричных клиньев изучено в
значительно меньшей степени. Не разработана теория крученых клиньев,
которые в текущем десятилетии получают все большее применение при
раскалывании древесины. С учетом недостаточной разработанности темы
исследования и современных требований к энергетической эффективности
технологических процессов и оборудования заготовки и переработки древесины
в диссертации сформулирована гипотеза исследования: уточнение
закономерностей раскалывания древесины позволит обосновать преимущества
раскалывания с применением крученых клиньев. Следствиями такого
преимущества может быть: повышение производительности и
энергоэффективности оборудования для раскалывания; практическая реализация в этой связи новых возможностей создания мобильного и модульного оборудования, размещаемого на производственных участках лесопромышленных предприятий и обеспечивающего получение дополнительной продукции за счет переработки низкосортной древесины осины.
Объект исследования: технологические операции переработки древесины и рабочие органы технологического оборудования для раскалывания короткомеров, функционирующего в составе схемы производственного участка лесопромышленного предприятия.
Предмет исследования: схемы движения лесоматериалов на
производственном участке лесопромышленного и особенности
функционирования клиновидных раскалывающих органов в технологическом оборудовании.
Цель работы: повышение эффективности использования древесины осины путем совершенствования оборудования и технологических операций ее переработки как сырья для изготовления кровельных материалов в малоэтажном строительстве с учетом природных и производственных факторов.
Задачи, решение которых необходимо для достижения данной цели:
-
Разработать дополнения к структурно-функциональной схеме производственного участка лесопромышленного предприятия с учетом добавления операций по сортировке, раскрою и переработки короткомеров осины, включая их первичную огне- и биозащитную обработку.
-
Выявить закономерности влияния способов раскроя осиновых короткомеров на сегменты и сегментов на дранку с целью получения дополнительной продукции.
3. Систематизировать данные о повышении эксплуатационных и
потребительских качеств древесины осины в рамках мероприятий по огнезащите
и защите от биодеструкции тонкомерных элементов; выполнить
экспериментальную оценку огнестойкости осиновых тонкомерных элементов.
-
Разработать механико-математическую модель раскалывания крученым и несимметричным клиньями. Уточнить закономерности соотношения внешних и внутренних раскалывающих сил, и сил контактного взаимодействия крученого и несимметричного клиньев с раскалываемыми короткомерами. Теоретически обосновать выбор наиболее эффективной геометрической формы раскалывающего оборудования по величине раскалывающей силы и затрачиваемой энергии.
-
Выполнить проверку эффективности крученых и несимметричных клиньев по отношению к симметричным клиньям в технологическом оборудовании для раскалывания при переработке осиновых короткомеров.
Методология и методы исследования. Методология исследования
базируется на использовании теоретических и экспериментальных работ
российских и зарубежных авторов в области рационального
природопользования, заготовки и переработки древесины осины с учетом
природных и производственных факторов. Использованы: анализ публикаций,
Интернет-ресурсов, патентов; механико-математическое моделирование; анализ,
синтез и обобщение результатов моделирования; анализ структуры образцов
древесины осины по микрофотографиям, полученным на сканирующем
электронном микроскопе SU-1510. Использованы экспериментальные методы
проверки теоретических положений и выводов об эффективности
несимметричных клиньев в технологическом оборудовании для раскалывания
древесины. Для проверки адекватности механико-математической модели
несимметричного раскалывания использована испытательная машина
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана схема движения осиновых лесоматериалов при их переработке на производственном участке лесопромышленного предприятия,
отличающаяся более полным учетом влияния природных факторов на качество продукции.
-
Выявлены закономерности влияния способов раскроя осиновых короткомеров на сегменты и сегментов на дранку с целью получения дополнительной продукции. С учетом природных и производственных факторов предложены схемы раскроя осиновых короткомеров на сегменты и сегментов на дранку, отличающиеся тем, что за счет учета направления сегментов годичных колец обеспечивается уменьшение выхода некондиционной продукции.
-
Систематизированы данные об огнезащите осиновых тонкомерных колотых элементов из осины; обобщены результаты выполненных диссертантом экспериментов по оценке сравнительной огнестойкости тонкомерных колотых элементов.
-
Разработана механико-математическая модель раскалывания древесины, отличающаяся тем, что раскалывающий орган имеет форму крученого клина.
-
С применением результатов моделирования разработано новое техническое решение раскалывающего органа механического колуна, новизна которого подтверждена патентом RU 161288 (Приложение 1).
Значение результатов для развития теории заключается в следующем:
-
Разработана схема движения осиновых лесоматериалов при их переработке в структурном подразделении лесопромышленного предприятия с учетом производственных и природных факторов, что вносит вклад в совершенствование организационно-технологических схем, позволяя уменьшить количество отходов переработки древесины и увеличить выход кондиционной продукции.
-
Уточнены закономерности влияния способов раскроя осиновых короткомеров на сегменты и сегментов на дранку с учетом природных факторов и предложены соответствующие схемы раскроя.
-
Систематизированные данные об огнезащите осиновых тонкомерных элементов и ее осуществлении на производственных участках лесопромышленных предприятий вносят вклад в решение проблемы повышения конкурентоспособности таких элементов.
-
Разработанные теоретические положения позволили объяснить новые данные о технологическом процессе раскалывания с применением крученых клиньев, что имеет существенное значение для повышения технико-экономической эффективности соответствующего оборудования в приоритетном направлении «Рационального природопользование».
-
Предложенный подход к анализу закономерностей раскалывания расширяет возможности теоретического обоснования новых технических решений энергоэффективного оборудования для раскалывания древесины.
Наибольшее значение для практики имеют следующие результаты:
-
Разработана схема движения осиновых лесоматериалов при их переработке на производственном участке лесопромышленного предприятия.
-
Применение разработанных схемы раскроя осиновых короткомеров на сегменты и сегментов на дранку позволит расширить ассортимент выпускаемой продукции путем вовлечения в производственный оборот до 40 % объема короткомеров, обычно используемых в качестве биотоплива.
-
Разработанная механико-математическая модель и раскрытые закономерности раскалывания древесины могут быть использованы для обоснования рекомендаций по совершенствованию технологии и соответствующего оборудования в производственных подразделениях лесопромышленных предприятий.
-
Разработано техническое решение крученого клина (патент RU 161288). Данное техническое решение может быть использовано при разработке стационарного, модульного и мобильного оборудования для лесопромышленных предприятий.
-
Экспериментально установлено, что огнезащитная обработка образцов тонкомерных осиновых элементов с применением водного раствора натриевого жидкого стекла (как основы), которую рекомендовано выполнять на производственном участке лесопромышленного предприятия, увеличивает продолжительность их полного сгорания в 3,37 раза. Установлено, что концентрация указанного раствора сверх 14 % экономически нецелесообразна, т.к. не повышает огнестойкость.
Достоверность результатов исследования подтверждена их
непротиворечивостью и согласованностью с известными по литературе экспериментальными и теоретическими данными, адекватностью результатов, согласованностью с экспериментами по раскалыванию осиновых образцов, а также апробацией на научных конференциях и публикацией в рецензируемых научных изданиях.
Положения, выносимые на защиту.
-
Дополнения к структурно-функциональной схеме производственного участка лесопромышленного предприятия операциями по сортировке, раскрою и переработке короткомеров осины, включая их первичную огнезащитную обработку, с учетом природных и производственных факторов.
-
Схемы раскроя осиновых короткомеров на сегменты и сегментов на дранку с целью получения дополнительной продукции с учетом природных факторов.
3. Механико-математическая модель раскалывания крученым клином.
Сравнительный анализ эффективности применения симметричного,
асимметричных и крученых клиньев при радиальном раскалывании осиновых короткомеров на сегменты.
-
Результаты сравнения эффективности раскалывающих органов различных клиновидных форм в технологическом оборудовании при переработке осиновых короткомеров.
-
Рекомендации по повышению эксплуатационных и потребительских качеств древесины осины на производственном участке лесопромышленного предприятия, позволяющие увеличить продолжительность их полного сгорания.
Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в
постановке задач исследования, в реализации всех стадий работы, в разработке и
корректировке программ выполнения теоретических и экспериментальных
исследований, в непосредственном участии в разработке механико-
математической модели раскалывания, методики экспериментов; в
самостоятельной обработке и анализе экспериментальных данных, полученных в лабораторных и производственных условиях; в подготовке статей к публикации и материалов сообщений для апробации на научных конференциях.
Апробация работы. Материалы диссертационного исследования были
представлены на следующих конференциях: международная научно-
практическая конференция «Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика» (Воронеж, ВГЛТУ, 2015); международная научно-практическая конференция «Деревянное малоэтажное домостроение: экономика, архитектура и ресурсосберегающие технологии» (Петрозаводск, ПетрГУ, 2013, 2015); научно-практическая конференция «Ресурсосберегающие технологии, материалы и конструкции» (Петрозаводск, 2015); международные научно-практические конференции «World Science: Problems and Innovations» (2016, 2017).
Реализация работы. Полученные результаты и разработанные
рекомендации переданы для дальнейшего использования в ООО
«Энергоэффективное домостроение» (г. Петрозаводск); использованы в научно-исследовательской работе студентов и в учебном процессе Института лесных, горных и строительных наук ПетрГУ.
Работа выполнена в рамках Программы стратегического развития ПетрГУ на 2012-2016 гг.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение, список использованной литературы (158 наименований) и два приложения; общий объем 153 страницы.
Диссертационная работа соответствует пунктам 3, 4, 7, 8 паспорта специальности ВАК 05.21.01 «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства».
Производственные факторы
Наибольшую ценность при заготовке сортиментов имеет средняя, свободная от сучьев часть ствола. Нижняя часть достаточно трудно поддается обработке ввиду большей вязкости, возможной свилеватости и подверженности сердцевинной гнили. Выход деловых осиновых лесоматериалов составляет от 11 до 24 % от объема хлыста в зависимости от класса товарности по ГОСТ 9462-88 “Лесоматериалы круглые лиственных пород. Технические условия (с Изменением № 1)” 14.
При поперечном раскрое заготовленной древесины образуются отходы в виде отрезков бревен. Эти отрезки длиной 0,5 м и более могут быть использованы для изготовления кровельных материалов, таких как деревянная черепица или дранка15. При этом используется только часть осинового бревна, поскольку сердцевина подвержена гнили. Появление и развитие сердцевинной гнили осины связано с влиянием многих факторов, к которым относятся: почвенные и климатические условия в местах произрастания; разнообразие форм осины и их устойчивость к заражению; особенности лесохозяйственных работ и др. В возрасте 75 лет внутренняя гниль поражает в ряде случаев 100% деревьев16, что, по мнению ряда авторов17 может служить основанием для оставления на корню фаутной осины при рубках смешанных лесных насаждений. Периодическое увлажнение и дренаж повышают устойчивость осины к поражению внутренней гнилью. Под пологом густых осинников фиксируется застойный и влажный воздух, что способствует развитию грибов и загниванию осины. Биологическая деструкция замедляется в более редких, «проветриваемых» насаждениях18, 19. В ряде работ поиски решения проблемы рационального использования потенциала осины ориентированы на совершенствование технологий комплексной переработки древесины в строительные материалы, целлюлозы, топливных гранул и брикетов20, 21. Другими словами, внимание авторов фокусируется на производственных факторах переработки заготовленной древесины. Вместе с тем, качество поступающей на переработку древесины осины существенно зависит от природных и лесохозяйственных факторов. Детализируя обоснование этого утверждения, отметим следующее.
Объемы использования древесины осины относительно невелики из-за развития сердцевинной гнили, условия появления которой описаны, например, в книге А.С. Яблокова22. Выход деловой древесины осины может составлять 10-15%, тогда как у хвойных пород этот показатель составляет 70-80%. Это одна из причин сформировавшейся на рубеже 19 и 20 веков лесохозяйственной оценки осины как лесного сорняка23 и появления осиновой проблемы24. «Осина – самая неблагополучная по своему состоянию в наших лесах древесная порода, требующая к себе первоочередного внимания лесоводов-селекционеров. Это, с одной стороны, полезнейшее дерево, с другой стороны, – злейший сорняк, понижающий хозяйственную ценность лесов. Одна из наиболее трудных проблем лесоводства – оздоровление осины и осиновых лесов» [Яблоков, с. 47].
По литературе известно, что найти путь к фундаментальному решению осиновой проблемы помог случай. Профессор Нильсон-Эле в 1936 году обнаружил в Южной Швеции несколько сотен гигантских осин, в настоящее время известных как Populus tremula gigas. Все они были свободны от биоповреждений. Таким образом, «далеко не всегда осина в менее благоприятных условиях роста бывает больной и малопроизводительной. На примере роста обычной и гигантской осины в одинаковых лесорастительных условиях мы убеждаемся, что имеется возможность и в относительно малоблагоприятных условиях произрастания выращивать здоровую, высокопроизводительную осину» [Яблоков, с. 85].
В тридцатых годах 20 века происходит положительный сдвиг во взглядах на оценку лесохозяйственного значения осины [Яблоков, с. 7]. Современными исследованиями25,26,27 подтверждена перспективность выращивания исполинской формы осины (Populus tremula gigas) для замены неустойчивых к гнили низкотоварных древостоев осины обыкновенной (Pоpulus trеmula).
В настоящее время (2017 г.) проблема воспитания и разведения осины является одной из широко обсуждаемых в публикациях, как природные (преимущественно лесохозяйственные), так и производственные (ориентированные на переработку сырья) аспекты, поскольку древесина осины характеризуется специфичными свойствами и может быть незаменима в определенных сферах хозяйства28. В цитируемой статье показано, что в настоящее время наряду с традиционными методами исследовательской работы стали доступны методы молекулярной генетики, генной инженерии и биотехнологий. Также расширяются сферы использования традиционных методов исследований, например, дендрохронологического.
Таким образом, в перспективе, с развитием лесотехнических мероприятий оздоровления осинников и с увеличением доли осины в объемах заготовок будет возрастать актуальность другой проблемы, которая связана с совершенствованием технологий рационального использования древесины осины. Однако проблема рационального использования осины актуальна и в настоящее время (2017 г.), что показывает анализ публикаций, количество которых имеет тенденцию к росту. «Подтверждением этому служит значительное количество опубликованных за это время работ об осине, … , например, что за один 1928 г. в СССР было опубликовано 10 печатных работ об осине. В сороковых годах 20 века появилось свыше 30 новых работ об осине, многие из которых значительно продвинули вперед разрешение проблемы осины» [Яблоков А. С., с. 7]. Современный анализ ресурсов научной электронной библиотеки eLIBRARY.RU подтверждает отмеченную выше тенденцию к росту публикаций, ориентированных на исследование как природных, так и производственных аспектов осиновой проблемы, в интересах рационального природопользования. Выполнив в eLIBRARY.RU поисковый запрос «Осина» можно получить после обработки в Microsoft Excel 2010 следующие данные (Рисунок 1.1).
Технология заготовки древесины осины и особенности ее переработки на производственном участке лесопромышленного предприятия
Анализ литературы показал, что вопросы огнезащиты тонкомерных элементов кровель, прежде всего из осины, исследованы недостаточно полно89. Прикладные исследования, ориентированные на решение данной задачи, сохраняют свою актуальность на протяжении всей истории применения древесины в качестве строительного материала. К настоящему времени в научной литературе представлен и обобщен большой объем результатов таких исследований, анализ и применение которых позволяют обосновывать новые экологически безопасные технические и технологические решения с лучшими технико-экономическими характеристиками. Однако вопросы огнезащиты тонкомерных элементов из древесины, к которым относится дранка, практически не затрагиваются в известной нам литературе и требуют продолжения исследований.
Применительно к данной работе актуальность названных выше вопросов объясняется тем, что “Стратегия развития лесного комплекса Российской Федерации на период до 2020 года” в качестве одного из направлений развития определяет разработку и организацию промышленного производства ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий заготовки и переработки древесины. В данном документе определен ряд направлений, в числе которых предусмотрено развитие промышленного производства комплектов деревянных домов, их деталей и материалов. Предполагается, что доля деревянных домов в общем вводе жилья должна вырасти к 2020 году до 25 процентов. В этой связи возрастает актуальность задач обеспечения безопасной эксплуатации конструкций из древесины.
В данной главе рассматривается одна из таких задач, связанная с использованием древесины осины и, для сравнения, сосны в кровлях. Обзор работ, относящихся к данной области прикладных исследований, приведен в статьях в которых рассмотрены разновидности деревянных кровель, при этом внимание авторов сфокусировано на конструкциях кровель из дранки. В России такие кровли получили широкое распространение во второй половине XIX века. Относительная простота конструкций и монтажа, небольшая масса и низкая стоимость сырья способствовали повсеместному использованию дранки в качестве кровельного материала для крыш. При регулярном обслуживании – периодической обработке дегтем с целью улучшения водоотталкивающих свойств – такие крыши могли эксплуатироваться до 25 лет. Свойства древесины осины определили основной принцип ее использования в конструкциях кровли – при увлажнении дощечки дранки разбухают, увеличиваясь в размерах, плотно закрывая щели и трещины. При улучшении температурно-влажностных условий они, высыхая, слегка изгибаются, обеспечивая полное проветривание подкровельного пространства и отвод влаги. Наряду с осиной для изготовления дранки используют сосну.
Дранка по принципу монтажа сходна с деревянной черепицей, но представляет собой тонкие дощечки (почти щепу) с примерными размерами: ширина 7–15 см, длина 30–50 см, толщина 5 мм. Драка укладывается в 4–5 слоев. В литературе достаточно подробно рассмотрены вопросы изготовления и схемы раскладки дранки.
В отличие от других деревянных кровельных покрытий дранка быстрее высыхает и лучше вентилируется ввиду своей небольшой толщины, что является, с одной стороны, преимуществом, а с другой – существенным недостатком, поскольку попадание искр на сухую, хорошо проветриваемую конструкцию приводило к ее воспламенению. В 80-х и 90-х годах XIX века в России имели место всплески пожаров, справиться с которыми помог только комплекс мер, направленных на огнестойкое строительство. Предписания по использованию огнеупорных материалов в строительстве привели к запрету использования дранки и соломы в крышах . На отказ от использования дранки в конструкциях кровель повлияла также ее подверженность биохимическому разрушению. К такому разрушению в большинстве случаев приводило применение гвоздей в качестве основных монтажных элементов крепления кровельного материала. Из-за перепада температуры и изменения влажности древесина циклически деформируется, вследствие чего отверстие от забитого гвоздя увеличивается, а на поверхности металлического гвоздя образуется конденсат. В итоге сталь подвергалась коррозии, а древесина загнивала, что впоследствии приводило к разрушению кровли.
В начале 1930-х годов предпринимались попытки по модернизации технологии использования дранки в качестве кровельного материала. Был предложен и запатентован ряд технических решений93. «В настоящее время к конструкционным отделочным и облицовочным древесным материалам предъявляют требования не только в отношении их пожарной и санитарно-экологической безопасности, но и технологичности, а также эстетической декоративности. Поэтому растет интерес к новым эффективным средствам огнезащиты древесины, позволяющим в нормальных условиях эксплуатации сохранять внешний вид, красоту и фактуру природного материала. Особенно это важно в отношении сохранения и защиты архитектурных памятников древнего деревянного зодчества»
Раскалывание с применением симметричного клина
Для раскалывания древесины используют механические колуны, конструкции которых рассмотрены в книге [Залегаллер, с. 161-165]. Устройства для раскалывания содержат один или несколько рабочих органов в виде симметричного или несимметричного клина. Соответственно, различают симметричное и несимметричное раскалывание. Анализ литературы показал, несимметричное раскалывание изучено в значительно меньшей степени. Однако вопросы симметричного раскалывания также требуют продолжения исследований. При симметричном раскалывании древесины клин под действием некоторой силы Р (Рисунок 3.6) взаимодействует с древесиной. Клин рассматриваем как абсолютно твердое тело, а древесину - как изотропный материал.
При воздействии внешней силы в механической системе «клин–полено» (Рисунок 3.6) появляются внутренние силы. На щеки клина действуют силы нормального давления и силы трения = , где – коэффициент трения скольжения металла по древесине вдоль волокон.
Материал клина – сталь. Угол клина может быть равным от 10 до 50.
Коэффициент трения скольжения [і зависит от влажности древесины и состояния поверхностей в области контакта. Значения коэффициента \і для контакта древесины и стали могут изменяться в интервале от 0,2 до 0,5. Принято считать, что коэффициент трения скольжения составляет примерно 70 % от коэффициента трения покоя. С увеличением влажности древесины коэффициенту уменьшается111. Например, коэффициент трения скольжения влажной древесины по стали равен 0,25ш
Касаясь методологии предпринятого исследования, отметим, что реализация процесса раскалывания зависит от многих факторов, точный учет которых не всегда возможен, и по этой причине в данной области прикладных исследований используют приближенные, но достаточно реалистичные подходы. Исследования показали, что на старте процесса раскалывания, с увеличением силы Р, происходит смятие древесины под лезвием клина (Рисунок 3.1). Движение клина по направлению силы Р сопровождается увеличением площади контакта его щек с древесиной, прекращением смятия древесины и появлением опережающей трещины. Наибольших значений силы и деформации достигают на старте процесса раскалывания, до появления трещины перед клином. Лезвие клина играет активную роль только до появления трещины и в дальнейшем процессе раскалывания участия не принимает.
Расстояние между вершиной клина и устьем трещины О 0. Устье трещины будет перемещаться вдоль волокон раскалываемой древесины, если преодолено сопротивление древесины растяжению поперек волокон в точке 1. Из физических соображений, опирающихся на представления о свойствах древесины, следует, что устье 1 опережающей трещины находится на границе области, в которой внутренние силы, связанные с внешней силой Р и вызывающие в данной области растяжение поперек волокон, распределены неравномерно, уменьшаясь от предельных для раскалываемой древесины (в точке 1), до нуля (в точке 2). Равнодействующая этих внутренних сил может рассматриваться как некоторая раскалывающая сила Рп. Чтобы найти зависимость Рп от внешней силы Р, предположим, что интенсивность внутренних сил линейно уменьшается вдоль отрезка 1,2 (Рисунок 3.6) от предела кратковременной прочности древесины при растяжении поперек волокон [а±] в точке 1 до нуля в точке 2.
Заметим, что указанный выше параметр модели [ т], с физической точки зрения характеризующий прочность древесины при растяжении поперек волокон, определяется по ГОСТ 16483.28-73113, зависит от породы древесины, направления скалывания (радиальное или тангенциальное), плотности, влажности и других характеристик, в среднем составляет 5% от предела прочности при растяжении вдоль волокон. При растяжении в радиальном направлении древесины осины влажностью 15 % предел прочности может быть принят равным 5,(5,4 МПа, в тангенциальном направлении - 3,73,8 МПа. Для сравнительного анализа влияния некоторых факторов приведем результаты экспериментов С.В. Мироновой, опубликованные в статье114: при растяжении образцов древесины сосны плотностью 0,550 г/см3 поперек волокон в радиальном направлении значения предела прочности при влажности древесины 15 % и 12 % равны, соответственно, 5,45 и 5,61 МПа; при растяжении образцов древесины сосны плотностью 0,542 г/см3 поперек волокон в тангенциальном направлении значения предела прочности при влажности древесины 15 % и 12 % равны, соответственно, 4,36 и 4,69 МПа. Согласно той же статье, при растяжении образцов древесины лиственницы плотностью 0,618 г/см3 поперек волокон в радиальном направлении значения предела прочности при влажности древесины 15 % и 12 % равны, соответственно, 5,48 и 5,64 МПа; при растяжении образцов древесины лиственницы плотностью 0,590 г/см3 поперек волокон в тангенциальном направлении значения предела прочности при влажности древесины 15 % и 12 % равны, соответственно, 4,30 и 4,62 МПа.
Раскалывание кручеными клиньями
В данной главе приведены методика и результаты экспериментальной проверки адекватности теоретических положений, изложенных в главе 3, что необходимо для оценки достоверности выводов о технико-экономической эффективности использования симметричных, несимметричных и крученых клиньев как рабочих органов технологического оборудования. Заключительная часть представленных далее экспериментальных
Определение массы (слева) и влажности образцов (справа) исследований была выполнена в сентябре 2017 года. Для испытаний были использованы образцы из древесины осины, заготовленной в апреле 2017 г. в окрестности деревни Суйсарь, Республика Карелия (61.97N 34.57E). Образцы для испытаний имели форму параллелепипеда с сечением 100100 мм и высотой 300 мм. Размеры образцов назначались с учетом особенностей технологии изготовления дранки (глава 1), получаемой путем раскалывания осиновых короткомеров. До раскалывания определялись температура, масса и влажность каждого образца (Рисунок 4.1).
Для проверки адекватности моделей для симметричных и асимметричных клиньев было испытано 15 образцов при температуре 20 С. Масса образцов (кг): 2,334; 2,384; 2,490; 2,366; 2,546; 2,328; 2,266; 2,444; 2,422; 2,398; 2,650; 2,526; 2,428; 2,578; 2,550 (среднее значение массы образца 2,447 кг). Влажность образцов (%): 54,0; 54,0; 67,2; 72,0; 76,0; 58,5 65,2; 65,7; 95,1; 65,5; 73,6; 66,1; 71,4; 66,7; 63,3 (среднее значение влажности образца 67,6 %). Для измерения влажности использовался влагомер «Biltema 15-340» (Рисунок 3.1). Влажность, измеренная в точках на поверхности раскалывания, была равна 100%, что характерно для древесины осины, заготовленной в весенне-летний период и перерабатываемой непосредственно после заготовки. Таким образом, были приняты во внимание природные и производственные факторы, рассмотренные в главе 1.
Испытания на раскалывание выполнялись в Институте лесных, горных и строительных наук Петрозаводского государственного университета с использованием тест-машины SHIMADZU AG50KNX (Рисунок 4.2).
С учетом материала главы 2 (Рисунки 2.1 и 2.6) для раскалывания использовались: симметричный клин с углом 30, несимметричный клин с углом 30 и несимметричный клин с углом 20 (Рисунок 4.3). Соответственно, выполнено три серии испытаний, по пять образцов на каждый клин. Скорость перемещения клина 20 мм/мин. Образцы после раскалывания представлены на Рисунке 4.3. Изменение действующей на клин силы при раскалывании отражает Рисунок 4.4.
Для древесины характерна большая вариабельность физико-механических свойств. В данной работе (Рисунок 4.4) вариабельность результатов испытаний объясняется как указанными выше различиями трёх вариантов клиньев, так и различиями влажности образцов, влиянием сучков и других факторов, естественных для древесины121. По причине большой вариабельности физико-механических характеристик древесины необходимо большое количество образцов для получения достаточно достоверных результатов испытаний.
Леонтьев Л.Л. Древесиноведение и лесное товароведение // Санкт-Петербург: Издательство Лань, 2017. 416 с. Ход (мм) Рисунок 4.4 - Характер изменения действующей на клин силы при различных параметрах раскалывания. Обозначения: 009 - номер образца; 2 - номер клина
Образцы при этом должны быть достаточно однородными. Касаясь критериев отбора образцов, отметим следующее. В недавно выполненном теоретическом исследовании122 установлено, раскалывающая сила может возрастать в 2,5 раза, если сучок находится в плоскости раскалывания и происходит его резание поперек его волокон в начальной стадии раскалывания. В 1984 г. аналогичные данные об увеличении раскалывающей силы в 1,7 – 2,5 раза были опубликованы цитированной выше в книге Б. Г. Залегаллера, с. 164. Таким образом, вследствие существенных различий образцы с сучками и без них
122 Кий В.В. Розколювання деревини з наявними в площині ділення сучками // Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка. 2013. №. 136. С. 207-218.
112 должны быть отнесены к двум разным группам. С точки зрения методологии отмеченная статья указанные выше различия создают основания для детального анализа природных факторов как основной причины вариабельности результатов испытаний на раскалывание древесины, что принято во внимание в материале данной главы.
Как известно123, в качестве критериев эффективность технологического оборудования для раскалывания могут быть выбраны: величина внешней силы, действующей на клин; величина раскалывающей силы в устье опережающей трещины (Рисунки 2.6 и 2.9); энергия, определяемая как работа, необходимая для раскалывания; мощность, необходимая для раскалывания.
В экспериментальных исследованиях на раскалывание древесины часто для сравнения результатов используют не только величину силы, но также величину энергии разрушения124. Энергия разрушения вычисляется как работа сил при раскалывании. В рассматриваемом случае работа вычисляется как площадь, ограниченная осью абсцисс и графиком для исследуемого образца (Рисунок 4.4); площадь пересчитывается в работу с учетом масштаба сил и хода клина. Чтобы исключить пересчет, далее используется условный параметр работы, затраченной на раскалывание образцов, вычисленный как среднее значение указанной площади; соотношение этих параметров для различных образцов и клиньев позволит получить безразмерный параметр для оценки влияния формы клина, сучков и других особенностей.
Вид образцов после раскалывания симметричным клином с углом в вершине 30 показан на Рисунке 4.5.
Максимальное значение силы, приложенной к симметричному клину по схеме на Рисунке 2.1, для образцов по Рисунку 4.5 равно, соответственно (Н): 13138; 7834; 9193; 7965. Среднее значение максимальной силы равно 8331 Н. Причина уменьшения силы для образцов 3 и 5 – сучки в нижней части образцов, причем продольная ось сучков почти параллельна условной плоскости раскалывания. Сучки и направление их продольной оси, как показано ниже, относятся к естественным факторам, существенно влияющим на величину силы и работы этой силы при раскалывании. Изменение силы, действующей на клин, в зависимости от перемещения (хода) клина представлено в виде графиков на Рисунке 4.6. Параметр работы, затраченной на раскалывание образцов, вычисленный как среднее значение площади для графиков, равен 2502 условных единицы.